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海上风电吊装作业船强度有限元分析

发布于:2022-10-09 20:29
有限元分析

      风暴自存状态是海洋平台处于工作区域时的最危险状态,其受到的环境载荷为最大值,历来受到很大重视。第三代自升自航式海上风电安装船,配备有升降桩腿和大型起重机,具有自升、自航、起重等多种功能,其甲板载荷很大;风电船的桩腿除了承受船体的重量、支撑其平衡外,还承担着将其承受的各种载荷传递至海底,是风电船非常关键的部分。海上风电安装船主要在风浪较大的海上风电场作业,在遭遇台风等恶劣条件下,其船体和桩腿结构必须能够保证有足够的强度抵御外力。
      参考文献曾对该船的全船和部分关键结构进行了多种工况强度有限元分析,本文在此基础上,仍以该船为例,应用MSC.Nastran软件,在风暴自存工况下,分析其主船体及桩腿的结构强度
      本船建模时采用右手笛卡尔坐标系,原点位于Fr60中纵剖而基线处,X轴沿船长方向,船舷为正;Y轴沿船宽方向,左舷为正;Z轴沿型深方向,向上为正。采用N.m的单位制。
      模型中主要采用板壳单元与梁单元来模拟船体构件,板壳单元必须保证构件网格划分后生成的单元在交线处的节点完全重合。具体建模方法参见文献。
      船体处于风暴状态时,桩靴入泥,根据相关规范,取海底泥而以下3m处铰支。主船体和桩腿之间的连接是通过齿轮齿条装置实现的,两者之间通过齿轮齿条传递竖向力,在上下导向环处祸合水平位移,在锁紧区祸合水平和垂直位移载荷主要分为两类,分别是静载荷和环境载荷。静载荷包括重力载荷以及功能载荷,采用了若干MPC对风机及其部件进行了加载,具体的加载方法参见文献,环境载荷由风、浪、流及其组合产生。
      风暴自存状态下的结构分析,取风向为迎风、横风及斜风,并假定风浪流同向,其中波浪载荷及流载荷仅针对桩腿。对于无限作业区域的平台,其风暴自存状态下的设计风速取为51.5 m/s。
      计算得到风暴状态下船体、桩腿、起重机、上层建筑和风机等部件所受到的风载荷,并按照如下两种方式施加到有限元模型上:
      (1)对于船体、上层建筑等结构,根据(2)式计算得到的风力,在受风结构处取若干节点,以等效集中力的形式进行加载。
      (2)对于起重机、风机各部件等,按风力引起的弯矩施加到模型相应节点。风暴状态下,主船体被抬出水而,因此波浪载荷仅针对桩腿。根据规范,并结合江苏沿海实际海情,确定设计波高H=8 m,周期T=10 s,波形确定为斯托克斯五阶波理论。
      斯托克斯波理论认为具有单一规则的有限振幅波可以用有限个简单的、频率成比例的余弦波来进行模拟,这在平台设计中被广泛地应用。
      对于作用在细长柱体上的波浪力计算,工程上常采用以绕流理论为基础的半理论半经验公式莫里森方程求解,它假定柱体的存在对波浪运动无显著的影响,波浪对柱体的作用主要是粘滞效应和附加质量效应。
      将(3)式沿柱体从海底到静水而积分即可得到作用于整条桩腿上的波浪力。
      应用斯托克斯五阶波计算公式,根据莫里森方程利用Matlab软件编写成计算程序,可以获得斯托克斯五阶波任意时间、任意位置处的水质点速度与加速度,以求得桩腿上的波浪力。


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